一种垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的制作方法

本发明涉及牙轮钻头领域，特别是涉及一种垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置。

背景技术：

牙轮钻头是钻井工程中最主要的破岩工具，在井底破岩中起着主导作用，其工作性能的好坏直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本，牙轮钻头的使用寿命几乎直接取决于钻头轴承的寿命，而轴承的寿命在很大程度上又依赖密封的寿命。牙轮钻头目前的发展趋势是实现高速化，随着钻头转速的不断提高，在恶劣环境下工作的普通轴承密封这一环节的薄弱性将显得越来越突出。因此，在研究钻头的同时，决不可忽视对轴承寿命的研究和改进。轴承密封是高速牙轮钻头最薄弱的环节，也是易损部件，是决定高速牙轮钻头寿命的最关键因素。据现场数据统计分析表明，因轴承先期损坏导致失效的钻头占失效钻头总数的80％，因密封先期失效而严重磨损的轴承占失效轴承总数的30％。牙轮钻头的轴承密封问题已经成为严重影响高速牙轮钻头钻井效率及钻井成本的技术瓶颈，是目前石油钻采工程中亟待解决的问题。

实践表明，目前常规牙轮钻头轴承密封性能不能很好的满足使用要求，特别是在较高转速钻进的时候，其密封使用寿命更低，密封的耐久性能较差，密封的磨损、老化较严重。牙轮钻头密封的工况是十分恶劣的，包括高温、高磨砺性介质、高载荷，并且密封腔的尺寸很小，这些工况和环境就加剧了密封的失效，也给密封的研究带来了巨大的困难和挑战。泥浆磨砺介质的进入是影响高速牙轮钻头密封寿命的最关键因素，现有轴承密封均属被动密封方式，不具有自动排砂功能，一旦泥浆颗粒进入密封腔，密封将会快速磨损后失效。目前，针对高速牙轮钻头螺旋密封的试验装置还未涉及，试验研究是现场试验及产品应用顺利进行的前提保障，而试验装置更是决定试验研究成功与否的关键，进行高速牙轮钻头螺旋密封试验装置的开发对提高钻头寿命具有重要意义。

因此，如何改变现有技术中，高速牙轮钻头螺旋密封试验无法进行的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，对牙轮钻头密封效果进行可靠试验，确保牙轮钻头螺旋密封在实际生产中顺利发挥作用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，包括上固定板、液体筒、牙轮、螺旋轴套、轴和下固定板，所述螺旋轴套与所述牙轮螺纹连接，所述牙轮和所述螺旋轴套均套装于所述轴上，所述螺旋轴套的内表面上设置密封螺纹，所述密封螺纹与所述轴之间存在间隙，所述牙轮与所述轴之间形成密封的第一空腔，所述轴上设置第一通孔，所述第一通孔与所述第一空腔相连通，所述牙轮、所述螺旋轴套、和所述轴均设置于所述液体筒的内部，所述上固定板、所述下固定板分别与所述液体筒的上下两端连接形成第二空腔，所述第二空腔与所述第一空腔相连通。

优选地，所述轴上还设置第二通孔、第三通孔，所述第二通孔和所述第三通孔均与所述第二空腔相连通，所述第二通孔与所述第三通孔通过管路相连通。

优选地，所述第一通孔与所述轴同轴设置，所述第二通孔与所述第三通孔相对于所述轴的轴线对称布置。

优选地，所述第二通孔的轴线与所述第三通孔的轴线之间的距离不大于所述牙轮的内径。

优选地，垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括液体容器，所述第一通孔、所述第二通孔、和所述第三通孔均与所述液体容器通过管路相连通。

优选地，垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括收集容器，所述收集容器通过管路与所述第二空腔相连通，所述第一通孔还通过管路与外界相连通，所述第一通孔与外界连通的管路上设置阀门。

优选地，垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括电机和支架，所述电机通过联轴器与所述牙轮相连，所述电机和所述下固定板均固定于所述支架上。

优选地，垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括底板，所述支架固定于所述底板上。

优选地，所述牙轮的轴线垂直于所述底板所在的平面。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，包括螺旋轴套，螺旋轴套内侧上设置密封螺纹，模拟牙轮钻头轴承螺旋密封结构，牙轮带动螺旋轴套旋转，通过测量含砂介质排出时间测试螺旋密封的排砂性能，为螺旋密封产品顺利生产应用提供了保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的整体结构的正向示意图；

图3为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的整体结构的侧向示意图；

图4为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的整体结构的a部放大的示意图；

图5为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的螺旋轴套的结构示意图；

图6为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的螺旋轴套的剖切结构示意图；

其中，1为上固定板，2为液体筒，3为牙轮，4为螺旋轴套，401为密封螺纹，5为轴，501为第一通孔，502为第二通孔，503为第三通孔，6为下固定板，7为第一空腔，8为第二空腔，9为液体容器，901为第一阀门，902为第二阀门，10为收集容器，11为电机，12为支架，13为底板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，对牙轮钻头密封效果进行可靠试验，确保牙轮钻头螺旋密封在实际生产中顺利发挥作用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1至图6，图1为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的整体结构示意图，图2为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的整体结构的正向示意图，图3为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的整体结构的侧向示意图，图4为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的整体结构的a部放大的示意图，图5为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的螺旋轴套的结构示意图，图6为本发明垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的螺旋轴套的剖切结构示意图。

本发明提供一种垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，包括上固定板1、液体筒2、牙轮3、螺旋轴套4、轴5和下固定板6，螺旋轴套4与牙轮3螺纹连接，牙轮3和螺旋轴套4均套装于轴5上，螺旋轴套4的内表面上设置密封螺纹401，密封螺纹401与轴5之间存在间隙，牙轮3与轴5之间形成密封的第一空腔7，轴5上设置第一通孔501，第一通孔501与第一空腔7相连通，牙轮3、螺旋轴套4、和轴5均设置于液体筒2的内部，上固定板1、下固定板6分别与液体筒2的上下两端连接形成第二空腔8，第二空腔8与第一空腔7相连通。

本发明的垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，螺旋轴套4内侧上设置密封螺纹401，模拟牙轮钻头轴承螺旋密封结构，牙轮3与螺旋轴套4螺纹连接，用螺旋轴套4内壁上的密封螺纹401代替模拟螺旋密封，解决了螺旋密封试验过程中的安装问题，同时，便于试验过程更换不同型号的密封轴套4，模拟不同螺旋密封结构的排砂性能，与此同时，不用频繁更换牙轮，节约成本，提高试验效率，提高牙轮3的适用性。试验时，牙轮3带动螺旋轴套4旋转，密封螺纹401与轴5之间存在间隙，一般0.5mm-1.0mm左右，在本具体实施方式中，密封螺纹401与轴5之间的间隙为0.5mm，通过测量含砂液体排出时间测试螺旋密封的排砂性能，为螺旋密封产品顺利生产应用提供了保障。

试验时，通过第一通孔501向第一空腔7内通入一定量的含砂液体，含砂液体沿着第一空腔7流向螺旋轴套4中的密封螺纹401处，由密封螺纹401与轴5之间的间隙流出，通过牙轮3与轴5之间的间隙流出，通过牙轮3与轴5之间的间隙流到第二空腔8中，第二空腔8中的含砂液体向装置外流动，当第二空腔8中的含砂液体流尽时，记录所用时间，此时为密封螺纹401无泵送效应时的排砂时间。当牙轮3带动螺旋轴套4旋转时，重复上述操作，向第一空腔7内通入同样量的含砂液体，此时，螺旋轴套4中的密封螺纹401旋转产生泵送效应，记录含砂液体排尽时的时间。通过比较排尽含砂液体的时间长短，可以评价螺旋轴套4中的密封螺纹401的密封性能。

具体地，轴5上还设置第二通孔502、第三通孔503，第二通孔502和第三通孔503均与第二空腔8相连通，第二通孔502与第三通孔503通过管路相连通。

本发明的垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，还可以通过测量排砂量测试螺旋密封的排砂性能，试验时，通过第二通孔502和第三通孔503向轴5与螺旋轴套4中的密封螺纹401之间的间隙通入含砂液体，事先对要注入的含砂液体称重，牙轮3带动螺旋轴套4旋转，如果螺旋轴套4中的密封螺纹401泵送排砂性能较好，则含砂液体无法进入第一空腔7中，含砂液体沿着螺旋轴套4和牙轮3与轴5之间的间隙，进入第二空腔8中，由第二空腔8中排出装置外；若螺旋轴套4中的密封螺纹401泵送排砂性能较差，则一部分含砂液体会通过密封螺纹401进入第一空腔7中，然后经由第一通孔501排出装置外，将含砂液体由第二空腔8排出装置外的部分称重，即为螺旋轴套4中的密封螺纹401的泵送排砂量，通过比较排砂量的大小，可以评价螺旋轴套4中的密封螺纹401的密封性能。

更具体地，第一通孔501与轴5同轴设置，第二通孔502与第三通孔503相对于轴的轴线对称布置。

第二通孔502的轴线与第三通孔503的轴线之间的距离不大于牙轮3的内径，在本具体实施方式中，第二通孔502和第三通孔503正对着牙轮3和轴5之间的缝隙处，避免含砂液体不接触密封螺纹401直接流入第二空腔8中，使试验结果更准确。

进一步地，垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括液体容器9，液体容器9用于储存含砂液体，第一通孔501、第二通孔502、和第三通孔503均与液体容器9通过管路相连通，第一通孔501与液体容器9连接的管路上设置第一阀门901，便于控制含砂液体的输出量。与此同时，液体容器9与第二通孔502、第三通孔503连通的管路上设置第二阀门902，对输出含砂液体的量进行精确控制，确保试验结果精确的同时，保证多次试验的连续性，节省时间。

另外，在本发明的其他具体实施方式中，还可以在液体容器9上加装称重感应装置，提高试验效率，节约人力物力，并在液体容器9上加装振动装置，使得含砂液体的输出更均匀，同时避免砂砾堆积，堵塞液体容器9的出口。在本具体实施方式中，液体容器9在竖直方向上的位置高于牙轮3、螺旋轴套4和轴5，使得液体容器9中的含砂液体能够在试验过程中顺利流入对应的位置，在本发明的其他实施方式中，还可以加输送泵，确保试验过程中，液体容器9中的含砂液体能够顺利导出。

更进一步地，垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括收集容器10，收集容器10通过管路与第二空腔8相连通，第一通孔501还通过管路与外界相连通，第一通孔501与外界连通的管路上设置阀门。收集容器10对由第二空腔8排出装置外的含砂液体进行收集，便于称重，还能够再次利用。第一通孔501连接有与外界相通的管路，管路上加装阀门，且第一通孔501与外界相通的管路设置在第一通孔501与第一阀门901之间，防止含砂液体经由第一通孔501向外界排出的过程中倒灌到液体容器9中，扰乱试验结果。

其中，螺旋轴套4与牙轮3螺纹连接。螺纹连接结构简单，连接稳定，且便于更换多个不同的螺旋轴套4，对密封螺纹401的排砂性能进行测试。

垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括电机11和支架12，电机10通过联轴器与牙轮3相连，电机11和下固定板6均固定于支架12上。电机11为牙轮3高速旋转时，测试密封螺纹401的排砂性能提供了动力来源，电机11带动牙轮3高速旋转，牙轮3带动螺旋轴套4高速旋转，密封螺纹401产生泵送效应，此处应注意的是，牙轮3的转动方向最好与牙轮3和螺旋轴套4连接处螺纹的旋向相反，防止螺旋轴套4松脱，影响试验的正常进行。

垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括底板13，支架12通过地脚螺栓固定于底板13上。支架12为垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置提供了支撑，支架12用地脚螺栓固定于底板13上，防止试验过程中装置晃动、产生位移等影响试验结果，提高装置整体稳定性。

牙轮3的轴线垂直于底板12所在的平面。

本发明的垂直式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置包括上固定板1、液体筒2、牙轮3、螺旋轴套4、轴5和下固定板6，螺旋轴套4与牙轮3螺纹连接，牙轮3和螺旋轴套4均套装于轴5上，螺旋轴套4的内表面上设置密封螺纹401，密封螺纹与轴5之间存在间隙，牙轮3与轴5之间形成密封的第一空腔7，轴5上设置第一通孔501，第一通孔501与第一空腔7相连通，牙轮3、螺旋轴套4、和轴5均设置于液体筒2的内部，上固定板1、下固定板6分别与液体筒2的上下两端连接形成第二空腔8，第二空腔8与第一空腔7相连通。试验时，牙轮3带动螺旋轴套4高速旋转，通过第一通孔501向第一空腔7内通入一定量的含砂液体，含砂液体沿着第一空腔7流向螺旋轴套4中的密封螺纹401处，密封螺纹401高速旋转产生泵送效应，由密封螺纹401与轴5之间的间隙流出，通过牙轮3与轴5之间的间隙流出，通过牙轮3与轴5之间的间隙流到第二空腔8中，第二空腔8中的含砂液体向装置外流动，当第二空腔8中的含砂液体流尽时，记录所用时间，即为排砂时间，排砂时间的长短即可用来评价螺旋轴套4的密封螺纹401的排砂性能，为螺旋密封产品顺利应用于生产中提供了保障。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。